模糊控制在汽車離合器中的應(yīng)用

　　模糊控制和專家系統(tǒng)控制都屬于智能控制的范圍。智能控制是控制理論發(fā)展的第三個(gè)階段。前兩個(gè)階段，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論統(tǒng)稱為傳統(tǒng)(或常規(guī))的控制理論。它們的共同特點(diǎn)是：各種理論和方法都是建立在對(duì)象的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上。但隨著認(rèn)識(shí)的深化，認(rèn)識(shí)對(duì)象范圍的擴(kuò)大，人們發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的控制對(duì)象具有高度的復(fù)雜性，高度的不確定性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)加以描述，而且人們還對(duì)其控制提出越來(lái)越高的性能要求。對(duì)于這些系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制理論就顯得有些力不從心，需要尋找一種新的理論，新的方法。通過(guò)研究和模仿人的智能行為，將人工智能引入控制理論，這就進(jìn)入了控制理論發(fā)展的第3個(gè)階段——智能控制理論階段。智能控制理論是多種學(xué)科交叉的結(jié)果，是在常規(guī)控制理論的基礎(chǔ)上，吸收了人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、實(shí)驗(yàn)心理學(xué)、生理學(xué)等其他科學(xué)中的新思想、新方法而發(fā)展起來(lái)的。它的基本思想就是模仿人的智能對(duì)復(fù)雜不確定性系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。智能控制系統(tǒng)按系統(tǒng)構(gòu)成原理可分為專家系統(tǒng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、仿人智能控制等。本文將介紹模糊控制及其在汽車離合器中的應(yīng)用。

　　一、模糊控制與模糊控制系統(tǒng)

　　自從1965年加利福尼亞大學(xué)教授扎德(L.A.Zadeh)提出了模糊集合的概念之后，模糊理論得到了飛速發(fā)展，并應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科，產(chǎn)生了模糊識(shí)別、模糊控制等一系列前沿學(xué)科。到1974年Momdoni成功地研制出第一臺(tái)模糊控制器，從此模糊理論從一種思維方式變成了控制理論中的一種具體應(yīng)用。模糊控制理論的提出，是現(xiàn)代控制理論、人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，它實(shí)際上是對(duì)人類長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)自然界中一些復(fù)雜的、不確定的、無(wú)法用現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具進(jìn)行描述的對(duì)象進(jìn)行定量的模糊描述和控制。它的基本思路在于：人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是用帶有相當(dāng)大的模糊性的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)，這些規(guī)則的形式正是模糊條件語(yǔ)句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述過(guò)程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系和某時(shí)刻這種過(guò)程變量的檢測(cè)值(需化為模糊量)用模糊邏輯推理的方法得出這刻的控制量。

　　模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可由圖1表示：

　　一般來(lái)說(shuō)，模糊控制系統(tǒng)組成同傳統(tǒng)控制系統(tǒng)基本相同，都是由控制器、輸入輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象組成，只是控制器為模糊控制器。模糊控制器從功能上主要分為4部分：模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解模糊化接口。模糊化接口主要功能為：量程轉(zhuǎn)換，即將輸入的數(shù)值映射到相應(yīng)的輸入論域上;模糊化，即將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為論域上的模糊子集。知識(shí)庫(kù)包含應(yīng)用領(lǐng)域方面的知識(shí)，主要有數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)提供所有必要的定義，包括所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域以及這些論域上所定義的規(guī)則庫(kù)中所用的所有模糊子集的定義。規(guī)則庫(kù)存放模糊控制規(guī)則，是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型，是操作人員或?qū)＜铱刂平?jīng)驗(yàn)的總結(jié)。推理機(jī)主要是采用某種模糊推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的控制輸出。解模糊化接口主要功能為：量程轉(zhuǎn)化，即將輸出作用的論域轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍;解模糊，即將得到的模糊的控制作用轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確的值。模糊控制器具體工作流程為：控制器從輸入接口獲得一精確輸入，通過(guò)模糊化接口將其化為論域上的模糊子集，推理機(jī)檢查模糊輸入同規(guī)則前件的匹配度，在符合某一程度上激發(fā)規(guī)則，通過(guò)推理的合成算法得到一輸出模糊子集，再將其解模糊化為精確物理輸出值，作用到被控對(duì)象上，從而完成一次控制操作。

　　二、模糊控制在汽車離合器中的應(yīng)用

　　車輛起步時(shí)對(duì)離合器控制提出了很高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)械式換擋機(jī)構(gòu)中，離合器的操縱十分復(fù)雜，例如，起步時(shí)要求駕駛員根據(jù)不同道路環(huán)境條件，負(fù)載等各種因素，準(zhǔn)確判斷離合器半接合點(diǎn)的位置，以保證車輛的平穩(wěn)起步;同時(shí)，還要求離合器踏板、油門踏板的操縱動(dòng)作的配合準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)。離合器復(fù)雜的操作要求很容易造成離合器操作不當(dāng)，造成車輛起步過(guò)程中的沖擊及磨損等。針對(duì)這些缺點(diǎn)和不足，車輛上正逐步用自動(dòng)操縱離合器取代手動(dòng)操縱。

　　離合器的起步控制一直是電控機(jī)械式自動(dòng)變速器操縱系統(tǒng)的難點(diǎn)和核心。由于外界工作環(huán)境和駕駛員的主觀意圖是時(shí)刻變化的，而且車輛本身是一個(gè)時(shí)變、非線性的系統(tǒng)，無(wú)法建立其精確的數(shù)學(xué)模型。而傳統(tǒng)的控制方法要用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，首先要設(shè)定控制目標(biāo)值，根據(jù)被控對(duì)象的特性變化和環(huán)境變化，通過(guò)負(fù)反饋原理不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)以跟蹤所設(shè)定的目標(biāo)值。要設(shè)計(jì)一個(gè)滿足控制目標(biāo)的控制器就必須要有控制數(shù)學(xué)模型，即輸入到輸出的一個(gè)映射關(guān)系或某種函數(shù)關(guān)系，以被控對(duì)象的物理系統(tǒng)作數(shù)學(xué)的抽象。所以依靠傳統(tǒng)或基于現(xiàn)代控制理論的自動(dòng)控制方法很難很好地解決離合器的起步控制問題。而熟練的駕駛員卻可以憑借豐富的駕駛經(jīng)驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)汽車在各種工況下的平穩(wěn)起步。人所具有的這種特殊控制能力可以用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，采用建立在駕駛員經(jīng)驗(yàn) 基礎(chǔ)之上的模糊邏輯控制方法可望獲得較理想的控制效果。將駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，形成控制語(yǔ)言規(guī)則，在實(shí)時(shí)工況下選擇合適的語(yǔ)言變量和控制參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器的合理控制。

　　(一)控制目標(biāo)

　　車輛起步過(guò)程中離合器的模糊控制能夠保證車輛能夠自適應(yīng)駕駛員的意圖順利起步。具體表現(xiàn)在：當(dāng)駕駛員油門踩得較大而且油門踩得較快時(shí)，意味著此時(shí)駕駛員想快速起步或此時(shí)地面阻力較大，所以離合器的結(jié)合速度應(yīng)較快;反之，當(dāng)油門踩得較小而且油門踩得較慢時(shí)，意味著駕駛員想平穩(wěn)起步或者此時(shí)路面阻力較小，故離合器的結(jié)合速度應(yīng)較慢。處于這兩種條件之間的情況又可分為無(wú)數(shù)種，結(jié)論既非線性，種類也非常繁多?？偟膩?lái)說(shuō)，用模糊控制的方法就是為了實(shí)現(xiàn)在不同駕駛員意圖和不同路面環(huán)境下離合器的起步自動(dòng)控制。

　　(二)模糊控制的輸入輸出參數(shù)

　　1.輸入?yún)?shù)

　　由于控制目標(biāo)是依據(jù)駕駛員的意圖及路面條件的變化實(shí)現(xiàn)離合器的自動(dòng)控制，而路面環(huán)境條件的不同可以根據(jù)駕駛員踏油門踏板的意圖反映出來(lái)。應(yīng)該選擇能夠較好的體現(xiàn)駕駛員意圖的參數(shù)作為模糊控制的輸入?yún)?shù)。

　　(a)油門踏板位移值電控機(jī)械式自動(dòng)變速操縱系統(tǒng)中，取消了離合器的人工操縱，只保留了油門踏板由駕駛員來(lái)控制。駕駛員的起步意圖可以從油門踏板信號(hào)判斷，油門踏板踏得越深，表明駕駛員希望起步時(shí)間較短，盡管此時(shí)沖擊較大;反之若踏得淺，意味著希望車輛起步要平穩(wěn)，所以要減緩結(jié)合速度。

　　(b)油門踏板位移變化率油門踏板位移變化率也是反映駕駛員意圖的一個(gè)重要參數(shù)。油門踏得急，說(shuō)明駕駛員希望較快起步;反之，若油門踏得緩，意味著駕駛員希望以較低的結(jié)合速度起步。因此，選擇油門踏板的位移及其變化率作為模糊控制的兩個(gè)輸入?yún)?shù)。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系是并列的，但油門踏板位移的重要性略重于油門踏板位移變化率。

　　2.輸出參數(shù)

　　(a)離合器半接合點(diǎn)離合器是傳動(dòng)裝置中最關(guān)鍵的部件之一，它能保證發(fā)動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，使車輛獲得平穩(wěn)起步以及緊急制動(dòng)時(shí)防止過(guò)載。離合器的接合過(guò)程比較復(fù)雜，當(dāng)車輛在不同路面上行駛、負(fù)載不同、檔位不同時(shí)，離合器接合過(guò)程也不同。因此，離合器接合過(guò)程的理論分析對(duì)研究是很重要的。

　　雖然離合器半接合點(diǎn)的位置經(jīng)常在變化，但這并不影響離合器的接合規(guī)律，所以研究離合器的控制應(yīng)首先研究離合器的接合規(guī)律。從最大限度發(fā)揮車輛性能角度看，動(dòng)力傳動(dòng)系性能參數(shù)的優(yōu)化是很重要的。而離合器的接合規(guī)律是影響傳動(dòng)系性能的主要因素之一。車輛從靜止到最小穩(wěn)定車速之間的速度增長(zhǎng)過(guò)程取決于離合器的接合方式，所以接合規(guī)律的深入探討對(duì)于研究動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化是必不可少的。

　　離合器的接合過(guò)程，理論上可以分為3個(gè)階段，如圖2所示。

　　(1)空行程階段l1：此階段用于消除離合器對(duì)偶摩擦面的間隙，對(duì)于車輛和離合器都沒有任何影響，應(yīng)盡快結(jié)束。(2)滑磨階段l2：該階段主從動(dòng)片產(chǎn)生滑磨，開始產(chǎn)生扭矩且扭矩逐漸增大，直到克服最大的滾動(dòng)阻力，使車輛開始運(yùn)動(dòng)。在此階段內(nèi)離合器對(duì)接合品質(zhì)的影響最大。

　　(3)同步接合階段l3：在該階段中，滑磨停止，扭矩不再增長(zhǎng)，離合器對(duì)接合品質(zhì)已無(wú)任何影響，應(yīng)盡快結(jié)束。

　　第一階段和第三階段在各種情況下對(duì)車輛和離合器均無(wú)任何影響，要求離合器快速結(jié)合，要精確控制的只有第二階段即滑磨階段。實(shí)際上，滑磨階段又可以分為兩個(gè)階段：第一階段為從消除間隙后到摩擦力矩等于負(fù)載力矩的時(shí)刻，此時(shí)車輛處于將要運(yùn)動(dòng)的一瞬間;第二階段為從車輛開始運(yùn)動(dòng)到離合器主從動(dòng)軸同步為止。如果把車輛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)離合器的行程定為半結(jié)合點(diǎn)，那么，離合器半接合點(diǎn)的值是隨負(fù)載的不同而變化的。路面阻力大，半接合點(diǎn)的值相應(yīng)較大;反之，路面阻力小，半接合點(diǎn)的值相應(yīng)較小。目前半接合點(diǎn)的精確測(cè)量是一個(gè)難點(diǎn)，現(xiàn)有的測(cè)量方式都在不同程度上造成離合器控制的超調(diào)。計(jì)算半接合點(diǎn)如果采用傳統(tǒng)算法是無(wú)法建立起它的數(shù)學(xué)模型的，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，用模糊控制的方法計(jì)算半接合點(diǎn)是比較理想的。因此，將離合器的半接合點(diǎn)定為模糊控制的輸出之一。

　　(b)離合器結(jié)合速度車輛從開始運(yùn)動(dòng)到離合器主從動(dòng)軸完全同步階段，離合器結(jié)合速度的控制至關(guān)重要。因?yàn)椴徽搹捻槕?yīng)駕駛意圖方面考慮或從離合器使用壽命方面考慮，這一階段的控制都影響整個(gè)控制過(guò)程的效果。如果駕駛員的意圖是希望車輛快速起步，這一階段的結(jié)合速度就必須加快;如果駕駛員的意圖是希望車輛平緩起步，這一階段的結(jié)合速度就必須放慢。因此，本階段離合器的結(jié)合速度也定為模糊控制的輸出參數(shù)。

　　(三)控制過(guò)程分析

　　車輛起步時(shí)離合器的控制是一個(gè)非線性的過(guò)程。模糊控制能根據(jù)系統(tǒng)的一些特性;依據(jù)豐富而較合理的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行直覺推理，在線確定和改變控制策略。

　　首先根據(jù)采集到的油門踏板位移值及其變化率，將它們分別模糊量化。模糊量化就是將精確的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模糊量，即將輸入的精確量轉(zhuǎn)變成為與之 相應(yīng)的隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)有鐘形，梯形，三角形等形狀，一般認(rèn)為鐘形最好，但難于計(jì)算;三角形次之，最后是梯形。在這里，為了計(jì)算方便，選用的是三角形隸屬函數(shù)。油門踏板位移及其變化率的隸屬函數(shù)如圖3、圖4所示。

　　μ1為油門踏板位移隸屬度，μ2為油門踏板位移變化率的隸屬度;X為油門踏板位移值的大小，Y為油門踏板位移變化率的大小。X和Y均取為從0～100之間變化是為了計(jì)算隸屬度時(shí)方便。具體計(jì)算模糊控制輸出時(shí)再將它們換算成為實(shí)際值。再將輸出參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，如圖5、圖6所示。

　　其中μ3為半接合點(diǎn)隸屬度，μ4為結(jié)合速度隸屬度;Z1為半接合點(diǎn)的值，Z2為結(jié)合速度的值。同樣道理，為了計(jì)算隸屬度的方便，半接合點(diǎn)的值和結(jié)合速度的值都先取從0～100之間變化，具體計(jì)算最后輸出時(shí)再換算過(guò)來(lái)。

　　然后建立起一系列模糊推理規(guī)則。這里有2個(gè)輸入?yún)?shù)，各種不同輸入?yún)?shù)的組合將得到不同的輸出。模糊推理規(guī)則是依據(jù)離合器的壽命目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。

　　在離合器的整個(gè)接合過(guò)程中，應(yīng)該做到接合平順、柔和，同時(shí)應(yīng)該減少滑磨功，使磨損盡可能小，延長(zhǎng)離合器的使用壽命。這是對(duì)離合器使用性能提出的要求。為了評(píng)價(jià)這兩個(gè)要求，可以分別建立他們的目標(biāo)函數(shù)。

　　(a)接合平順性目標(biāo)函數(shù)。對(duì)接合平順性影響最大的是離合器接合時(shí)引起的傳動(dòng)系扭矩波動(dòng)，所以，可把車身的縱向加速的變化率，即沖擊度j作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　式中：TOT—變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩

　　io—變速器輸出軸至驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)比

　　IW—與變速器輸出軸相連的慣量

　　rr—驅(qū)動(dòng)輪半徑

　　j與離合器接合扭矩的導(dǎo)數(shù)成正比，波動(dòng)值dTot/dt越大，j也越大，j能較好地反映離合器接合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。因?yàn)橹饕芯康氖窃鯓邮管囕v自適應(yīng)駕駛員的意圖起步，有時(shí)為了快速起步而不得不以犧牲沖擊度為代價(jià)，所以考慮更多的是離合器的壽命目標(biāo)函數(shù)。

　　(b)離合器壽命目標(biāo)函數(shù)：離合器壽命目標(biāo)函數(shù)是這樣定義的：離合器在接合過(guò)程中，主要元件與從動(dòng)元件一直經(jīng)歷由轉(zhuǎn)速不等到轉(zhuǎn)速一致的滑磨過(guò)程，離合器頻繁的接合和滑磨，使摩擦片很容易磨損，滑磨產(chǎn)生的熱量使壓盤和飛輪元件溫度升高，加劇摩擦片的磨損，降低離合器的使用壽命。因此可以滑磨功來(lái)評(píng)價(jià)離合器的使用壽命。離合器接合過(guò)程中，希望滑磨功越小越好，故目標(biāo)函數(shù)為：

　　式中：Tc—離合器摩擦力矩

　　We、Wn—發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器從動(dòng)軸角速度

　　W—滑磨功

　　從上式中可以看到，當(dāng)離合器摩擦力矩一定時(shí)，滑磨時(shí)間越長(zhǎng)，滑磨功越大。所以從控制滑磨功大小，防止滑磨功過(guò)大的方面考慮，在阻力較大的路面上起步時(shí)必須限制滑磨時(shí)間。另一方面，油門踏板位移較大和油門踏板位移變化率較大時(shí)除了可能是路面阻力較大外，也有可能是駕駛員希望快速起步，盡管此時(shí)沖擊比較大，這時(shí)對(duì)離合器的結(jié)合要求也是希望快速結(jié)合。

　　依此類推，從考慮到離合器的壽命和依據(jù)駕駛員的經(jīng)驗(yàn)可以得出一組模糊推理規(guī)則，從而建立一個(gè)模糊推理規(guī)則表。

　　具體的參數(shù)輸入后，通過(guò)模糊推理規(guī)則表的處理以及運(yùn)用Mamdani模糊推理方法，得出模糊的輸出結(jié)果。

　　模糊推理完成后進(jìn)行的模糊計(jì)算的最后一步：反模糊化處理，這里使用的是重心法。經(jīng)過(guò)批模糊化處理后得到模糊控制輸出參數(shù)的精確值，精確值可以用來(lái)控制離合器的結(jié)合過(guò)程。

　　模糊控制用于車輛起步離合器的控制是非常有效的，它能夠解決車輛系統(tǒng)難以建立數(shù)學(xué)模型和難以精確控制的問題，它的控制效果是令人滿意的。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　模糊控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展，不是控制理論從確定思維的倒退，而是螺旋式的前進(jìn);不是用精確性完全取代模糊性，而是承認(rèn)精確性向模糊性的逼近，是模糊思維在控制理論領(lǐng)域的重現(xiàn)。

　　它是溝通人類模糊化自然思維和機(jī)械的精確思維之間的科學(xué)橋梁，它為我們解決巨人系統(tǒng)、人—機(jī)系統(tǒng)和人工智能等問題提供了有效的工具和手段。